Bildgebende Verfahren sind nicht auf klassische optische Systeme beschränkt, sondern
be-nutzen dasgesamte Spektrumderelektromagnetischen Strahlung.JedeStrahlungsart trägt
charakteristischeInformationüberdasObjekt,vondemsieausgestrahltoderreektiertwird.
Die ThermographiebilderderWasseroberächewurden mit einerCCD-Infrarot-Kamera
aufgenommen.AufdieBeschreibungderquantitativenMessungvonStrahlungsintensitäten,
0 10 20 30 40 50 60 5
10 15 20 25 30 35 40
-20 ° C 0 ° C 20 ° C 40 ° C
Wellenlänge [µm]
Spezifische Ausstrahlung [ Watt m ] -2 40
Abbildung 3.5: Die Intensitätsverteilung derWärmestrahlungnach dem Planckschen
Strah-lungsgesetzfürvierverschiedeneTemperaturen.DieFlächeunterderPlanck-Kurvewächst
mit zunehmender Temperatur stark an (Stefan-Boltzmann Gesetz). Das Maximum der
Emission verschiebt sich für höhere Temperaturen zu kleineren Wellenlängen hin
(Wi-en'sches Verschiebungsgesetz).
ndet sich in [Wolfe undZissis1978] und für bildgebende Infrarotsensoren im
speziel-len bei[Haussecker1996 ]. Vielmehr sollin diesem Abschnitt der Einsatz einer
Infrarot-Kamera zurpräzisen Messung der Wasseroberächentemperatur diskutiert und deren
Vor-und Nachteile aufgezeigtwerden.
Das elektromagnetische Wellenspektrumüberdeckteinen Frequenzbereichvonungefähr
18Dekaden,vonderhochfrequenten-Strahlung(10 22
Hz),überdiekosmische
Hintergrund-strahlung(10 12
Hz),bishinzu denRadiowellen(10 4
Hz).Dasmenschliche Augenimmt
dar-aus nur einen winzigen Bereich überhaupt wahr. Der Wellenlängenbereich des sichtbaren
Lichtsbeginnt im Violetten(350nm)und endetim Roten(750nm).
HeiÿeKörpersendenaufgrundihrerTemperaturelektromagnetischeStrahlungaus,die
soge-nannteTemperatur-oderWärmestrahlung.Die WärmestrahlungschlieÿtsichimSpektrum
direktandasroteEnde dessichtbaren Lichtsan.DerTeildesSpektrumsvon 0,7m biszu
einerWellenlänge von1000mwirdalsInfrarotspektrumbezeichnet.AlsDetektorenfür
In-frarotstrahlungwerdenhauptsächlichThermoelemente,BolometerundHalbleiterdetektoren
verwendet:
BeieinemThermoelement wirdderSeebeck-Eektausgenutzt.LötetmanzweiDrähte
ausverschiedenenMetallenanbeidenEnden zusammenundschaltetinden Drahtein
Voltmeter,sozeigtdieseineThermospannungan,dieabgesehenvondenEigenschaften
0 ° C 20 ° C 10 ° C
0 ° C 20 ° C 10 ° C
0 5 10 15 20
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
∆λ = 3 - 5 µ m
∆λ = 8 - 12 µ m
∆Τ [ ° C]
Thermischer Kontrast
Abbildung 3.6: Thermischer Kontrast für den Spektralbereich von 3-5m und 8-12m bei
verschiedenen Temperaturen. Der Spektralbereich von 3-5 m ist bei Raumtemperatur
bessergeeignet,kleinsteTemperaturunterschiedeaufzulösen,dadortderthermische
Kon-trastgröÿerist.
entdeckte diese Thermospannung im Jahre 1822. Solche Thermoelemente bieten den
Vorzug gröÿerer Empndlichkeit und geringer Trägheit, benötigen allerdings immer
einekonstanteReferenztemperatur.
Ein Bolometernützt dieAbhängigkeitderLeitfähigkeit vonder Temperatur aus.
Me-talle leiten umso schlechter, je heiÿer sie sind, bei Halbleitern ist es umgekehrt. Die
Intensität der Strahlung wird so durch eine Widerstandsänderung eines Stoes bei
dessen Erwärmung gemessen.
Bei einem Halbleiterdetektor werden durch den inneren Photoeekt bewegliche
La-dungsträger(meistpaarweise)ausdemDetektormaterialdurchLichteinstrahlung
frei-gesetzt.DieLadungsträgerwerdendurcheinangelegteselektrischesFeldgetrennt,und
derentstehendePhotostrom kanngemessen werden.
Durch die rasante Weiterentwicklung und extreme Miniaturisierung in der
Halbleiter-technik hat sich in den letzten Jahren auch bei den kommerziellen Produkten die
CCD-Technik durchgesetzt. FürdieberührungsloseTemperaturmessungstellt diese Methode bei
10 100 1
10 100 1000
2
Eindringtiefe ζ
ζ [ µ m ]
Wellenlänge λ [ µ m ]
Abbildung 3.7: Eindringtiefe der Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich von
2-100.FürdenBereichvon3-5mvariiertdieEindringtiefeumfastzweiGröÿenordnungen.
DerVorteildesSpektralbereichesvon8-12mliegtbeieinergeringerenEindringtiefe der
Strahlung, sowohleinergeringerenSchwankung.
Infrarot-Kameras von Amber 1
,Typ Radiance und Galileo, sowie die Infrarot-Kamera von
AIM 2
genannt. Diese bildgebenden Infrarotsensoren habe einen sehr hohe zeitliche (bis zu
240 Bilder/s) und räumliche Auösung (bis zu 512512 Pixel) beieiner NET 3
von
19-26mK, sind allerdings sehr teuer (100.000 bis 200.000DM), da der CCD-Chip mit einem
Stirling-Cooler aufeiner Temperatur von 77Kelvin gehaltenwerdenmuÿ.Bei
Raumtempe-ratur und einer Wellenlänge von 4m würden ungefähr 310 7
Photonen auf ein
Detekto-relement einfallen. Der Sensor würde förmlich in Photonen ertrinken und wäre schon nach
kurzerZeitüberbelichtet. DurchKühlungdesDetektorarrayskanndieAnzahlderPhotonen
erheblich reduziert (Stefan-Boltzmann Gesetz, T 4
) und die Wärmestrahlung des Chips
selbstabgestellt werden.
Vielversprechend ist die Weiterentwicklung vonKameras dienach demPrinzip des
Bo-lometer arbeiten.Diesemüssen nicht gekühltwerden, wodurch sierelativpreiswert (30.000
bis 50.000DM) sind. Die Temperaturauösung solcher Kameras ist allerdings wesentlich
schlechter (NET von 90-120mK) als bei dengekühlten Kameras.
Die beiden Bildsensoren von Amber sind in einem Spektralbereich von 3-5m
emp-ndlich, der von AIM im Bereich von 8-12m. Diese beiden Spektralbereiche bieten sich
prinzipiell an,weildieAtmosphäreindiesemBereichdurchlässigfür Infrarot-Strahlungist.
1
AmberEngeneering,Goleta,USA
2
AEGInfrarotModuleGmbH,Heilbronn
3
NET:engl.fürrausch-äquivalenteTemperaturdierenz.BezeichnetdieminimaleTemperaturdierenz
DerBereich von 3-5m istbessergeeignet,kleinsteTemperaturunterschiede aufzulösen, da
dortderthermische Kontrast beiRaumtemperatur gröÿer ist.
AlsthermischerKontrastC
t
wirdderHelligkeitskontrastineinembestimmtenW
ellenlängen-intervall [
a
;
b
]zwischen zweiObjektenunterschiedlicher Temperatur (T
a
In Abbildung 3.6 ist derthermische Kontrast für die Spektralbereiche von 3-5m und
8-12mbeiverschiedenenTemperaturengraphischdargestellt.Dieserliegtfürden
Spektral-bereich von 3-5m wesentlich höher als für 8-12m, da dort die Planck-Kurve bei
Raum-temperaturexponentiellansteigt,währendsiebei8-12mihrMaximumerreicht(Abbildung
3.5).
Der Vorteil des Spektralbereiches von 8-12m liegt bei einer geringeren Eindringtiefe
der Strahlung, sowohl einer geringeren Variation (11-2m) in dem Wellenlängenintervall.
Für3-5m variiert dieEindringtiefe umfastzwei Gröÿenordnungen (2-90m,siehe
Abbil-dung3.7).DaderverwendeteSensorjedochüberdenWellenlängenbereichintegriertunddie
Dicke der wasserseitigen thermischen Grenzschicht zwischen 300m und 1mm variiert, ist
einepräziseMessungderWasseroberächentemperaturimSpektralbereichvon3-5m
mög-lich.MiteinerTemperaturauösungderverwendetenInfrarot-Kameras(NET =26:1mK,
Abschnitt7.1)istesmöglich,dieTemperaturuktuationenO(0.2Kelvin)inderGrenzschicht
zu visualisieren.Abbildung 3.8 zeigtverschiedene Bilder,die mit derInfrarot-Kamera
Am-berRadiance Iaufgenommen wurden.
Soll mit einem Strahlungsthermometer, wie ihn eine Infrarot-Kamera darstellt, präzise
dieTemperatur der Wasseroberäche bestimmt werden, soist dieReektivität
('nonblack-ness')desWasserzubeachten, bzw.zukorrigieren.RealeObjektewie dieWasseroberäche
emittieren weniger Strahlung als ein schwarzer Strahler. Das Verhältnis der Emission zu
der eines schwarzen Strahlers bei gleicher Temperatur wird als spektrale Emissivität "()
bezeichnetundhängtvonderWellenlängeab.FürdiegesamteStrahlungsbilanzeinesrealen
Körpers ergibt sich ausGründen derEnergieerhaltung[Wolfe undZissis1978 ]:
"()+%()+()=1: (3.7)
Dabei ist () derBruchteil derauftreenden Strahlung, der den Körper durchdringt,
ohne absorbiert zuwerden, und%()derBruchteil, deran der Oberäche reektiert wird.
FürdenWellenlängenbereich von8-15mgibt[Saunders 1970 ]fürWassereine
Reek-Abbildung 3.8:Thermographiebilderaufgenommenmit derInfrarot-KameraAmber
Radian-ce:(a)Gesicht:DeutlichistdiekalteNaseunddaskalteOhrzuerkennen.(b)Gebäudeim
Winter:DiemeisteWärmewirddurch dieFensternachAuÿenabgegeben.(c)
Kaeema-schine:Die Röhre inderdaserhitzte Wasseraufsteigtunddie heiÿeKanne sinddeutlich
zusehen.
um etwa 50-65Kelvin unter der Lufttemperatur, bei bewölkten Himmel jedoch wesentlich
niedriger.WirdderBruchteilder Himmelsstrahlung,deranderWasseroberäche reektiert
wird, nicht mit in dieTemperaturmessung einbezogen, ist mit einem absoluten Fehler von
ungefähr 0.5Kelvin bei klarem Himmel zu rechnen, bei Wolkenbedeckungen ergeben sich
Werte von0.1 bis0.25Kelvin.Bei klarem Himmel oderhomogener Wolkenbedeckungführt
dieReektivitätder Wasseroberäche zu einem konstantenTemperaturoset derkorrigiert
werdenkann.Beinichtgeschlossener Wolkendeckeführtdieszu ReexenindenBildern,die
mit der Phasengeschwindigkeit der Welle durch das Bild laufen, da die Reexion mit der
Neigung derWellen korreliert sind.